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Disipadores de energía en la estructura de edificios.

Percy Acuña Vigil

Pensamiento sobre la ontología de la ciudad

En esta bitácora comparto mis reflexiones y otras informaciones que reflexionan sobre la ciudad como la concreción del juego del poder.

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DISIPADORES DE ENERGIA
TECNICAS DE DISEÑO SISMO RESISTENTE

Sistemas de protección
La energía que recibe una estructura durante un terremoto puede ser soportada de tres maneras diferentes:
• Por resistencia: Consiste en dimensionar los elementos estructurales de tal modo que tengan suficiente resistencia como para soportar las cargas sísmicas sin romperse. Éste método requiere unas sobredimensiones bastante importantes de los elementos estructurales y tiene algunos riesgos de rotura frágil.
Por ductilidad: Consiste en dimensionar los elementos de tal manera que parte de la energía del sismo sea disipada por deformaciones plásticas de los propios elementos estructurales. Esto implica que la estructura recibirá daños en caso de sismo, pero sin llegar a colapsar. Reduce el riesgo de rotura frágil y la dimensión necesaria de los elementos estructurales es bastante menor.
Por disipación: Consiste en introducir en la estructura elementos cuyo fin es disipar la energía recibida durante un terremoto, y que no tienen una función resistente durante el resto de la vida normal del edificio. Existen principalmente tres tipos de sistemas de disipación:1
o Aislamiento sísmico: Se conoce así a la técnica de desacoplar el edificio del suelo. La energía proveniente del terremoto no penetra en el edificio ya que éste está aislado del suelo.
o Elementos de disipación pasiva: Son técnicas que permiten dar un amortiguamiento suplementario mediante elementos que absorben la energía del terremoto, evitando que ésta dañe al edificio. Estos elementos llamados amortiguadores pueden ser de muy distinta forma: de aceite, de metal, visco-elásticos, viscosos… En algunos casos los amortiguadores tienen que ser sustituidos tras un impacto sísmico.
o Elementos de disipación activa: Son elementos que absorben la energía por desplazamiento de elementos preparados para ello. Sería el caso del amortiguador de masa del Taipei 101 que realiza un desplazamiento para absorber la energía del viento sobre la estructura o el sismo.
Un mismo edificio puede mezclar varias técnicas para soportar un sismo. La capacidad final de un edificio bien planteado de soportar energía sísmica es la suma de las energías que puede soportar cada uno de los apartados anteriores.

Aisladores y disipadores de energía

Publicado por Azucena Carranza Sandoval en agosto 13, 2012 | 7 Comentarios
Sistemas de Protección Sísmica.

Disipadores 1

A pesar que su inclusión en el diseño de la estructura representa un gasto adicional, destacados ingenieros consideran que se trata de una inversión altamente rentable que garantiza no sólo una reducción sustancial de posibles daños a la estructura y al contenido del edificio sino también a las personas que lo habitan.
Diversos geólogos han advertido que Lima y el norte del país vienen mostrando desde hace varias décadas un silencio sísmico el cual ha encendido las alarmas de prevención en la población.
La forma como ha sido concebido el diseño de las estructuras de las edificaciones resulta primordial para mantener a salvo a millones de personas. Las construcciones con más de 40 años de antigüedad, por ejemplo, no contemplaron ningún tipo de norma de prevención sísmica, lo que las hace más vulnerables ante un movimiento telúrico.
No podemos evitar la ocurrencia de un sismo de gran magnitud pero contamos con las herramientas técnicas suficientes para reducir considerablemente los daños que pueda causar un terremoto. Los dispositivos de protección sísmica más usados en el extranjero y que se encuentran en etapa de introducción en nuestro país son los aisladores sísmicos y los disipadores de energía. Aplicar este tipo de tecnologías resulta relevante para forjar una cultura de prevención sísmica que no sólo debe incluir a los ingenieros, sino a los inversionistas y empresarios del sector construcción.

Aisladores sísmicos
Estos dispositivos aíslan al edificio de toda la energía que el suelo introduce por causa de un evento telúrico. Su aplicación en diferentes edificaciones en Latinoamérica y especialmente antes y después del terremoto ocurrido en Chile, ha tenido resultados alentadores.
“El aislador sísmico desacopla la estructura del suelo y hace que la aceleración sísmica no pase y si lo hace, que esto ocurra en una proporción mínima.
Entonces la estructura se comporta como un bloque rígido que se mueve sobre los aisladores en desplazamientos relativamente pequeños. Por lo tanto, ya no hay desplazamiento entre piso a piso que es lo que destruye la edificación
En los edificios de construcción convencional, que están fijos a tierra, se amplifica la aceleración sísmica en las partes altas, en cambio una edificación que está sobre aisladores se mueve como un bloque, se estabiliza y la amplificación sísmica es menor”, afirmó el ingeniero estructuralista Carlos Casabonne, gerente general de Gallegos Casabonne Arango, Quesada Ingenieros Civiles.

Clases de aisladores.

Existen diferentes tipos de aisladores sísmicos dependiendo de las condiciones a las que estará sometido. “Estos son dispositivos que consisten en un conjunto de láminas de caucho natural de alto amortiguamiento y láminas de acero, colocadas alternadamente y adheridas entre sí, para formar un dispositivo con una gran flexibilidad horizontal y una gran rigidez vertical.
La flexibilidad horizontal del aislador permite acomodar la deformación del suelo de fundación durante un sismo, a través de una deformación de corte, evitando la transferencia del movimiento del suelo hacia la estructura. Los aisladores tienen en algunos casos núcleo de plomo, el cual permite aumentar el porcentaje de amortiguamiento. Cabe resaltar que no necesitan mantenimiento, además vienen con unas placas metálicas intermedias que aportan una gran rigidez vertical que les permite soportar el peso de la estructura sin sufrir deformaciones axiales”, explicó Víctor Manzur, jefe de ventas de la Zona Industrial de Vulco Perú.
Para el ingeniero Iván Gonzáles, gerente de Ingeniería de CDV, “las diferencias entre los aisladores elastoméricos que ofrecemos y otros, son a parte de los 30 años de experiencia en terremotos en Japón, Turquía, San Francisco, Nueva Zelandia, su capacidad de deformación al corte (cuánto lo puedes deformar respecto de su altura).
Nosotros fabricamos aisladores con capacidad de deformarse hasta 400%, es decir cuatro veces su altura. Además destacan por su capacidad de soportar cargas axiales elevadas (hasta 4,000 Tn) y altas velocidades (60 pulg/seg)”, afirmó.
Hay diversos aisladores: además de los fabricados de neopreno, también hay los de péndulo invertido (invento de un español). “Se trata de un elemento en forma de plato cóncavo que está en la base y el edificio presenta un péndulo que tiene una barra sobre la que apoya el plato cóncavo, superficie que tiene una parte convexa de titanio que es sumamente pulida. Cuando se mueve el suelo, esta barra tiende a remontar la superficie cóncava y siempre regresa a su sitio por la geometría sin aumentar la rigidez”, aclaró el ingeniero estructuralista Carlos Casabonne.
El riesgo más grande del aislador por ser de neopreno es el incendio, pero al estar entre el edificio y el suelo es muy difícil que ocurra eso. “Proteger a los aisladores del fuego representa el único cuidado a tener para mantener estos dispositivos funcionando en óptimas condiciones. Su vida útil promedio es de 50 años”, agregó.
Fácil instalación
Los aisladores se suelen colocar debajo de la zapata. En el caso de los edificios, los aisladores sísmicos deben poseer una doble cimentación: la tradicional con las columnas y muros de concreto que van hacia arriba, debajo de las cuales se colocan estos aisladores que son los dispositivos hechos de caucho o algunos de fricción y debajo otra zapata.
El aislador, ubicado entre zapatas tiene la capacidad de deformarse sin transmitir la energía sísmica. Entonces el suelo no logra introducir ese movimiento de manera fuerte a la construcción.
“Las únicas obras aisladas en el Perú son tanques de LNG de Camisea en Chincha. El gas que hay en estas estructuras está a 160° bajo cero y ante un sismo severo se podrían generar chispas que podrían originar una gran explosión; por eso eso es que estos tipos de proyectos vienen concebidos con aislamiento sísmico”, explicó Víctor Manzur, de Vulco.

Proteger el contenido
No sólo importa resguardar la edificación sino el contenido del edificio una vez ocurrido el evento sísmico. “Muchas veces la estructura no sufre daños pero sí el contenido. Se rajan los tabiques, se mueven los equipos, se caen las tuberías o el falso cielo; es tanto el daño que luego la instalación debe parar entre 15 a 20 días para reparar todo ello.”
Con aisladores sísmicos eso no ocurre. La experiencia obtenida en Los Ángeles (Estados Unidos) es aleccionadora. Hubo un terremoto en el que muchos hospitales no sufrieron ningpun daño estructural, pero tuvieron que cerrar y gastar millones de dólares en reparación del contenido del edificio, mientras que los dos nosocomios que sí estaban aislados permanecieron operativos”, señaló el ingeniero Casabonne.
Continuar operando es el tema estratégico post terremoto. Muchas estructuas no se pueden caer pero dejan de operar porque Defesa Civil ve una rajadura un tema de riesgo e indica que no pueden funcionar hasta que no se repararen. “El aislamiento sísmico permite reducir entre seis y ocho veces las aceleraciones en comparación a una estructura convencional. Las aceleraciones de 1.5 G se reducen a 0.3 G ó 0.4 G en el edificio.
El periodo del edificio está normalmente alrededor de 0.8 y 1 segundo. Lo que hacen los aisladores sísmicos es amplificar alrededor de 3 ó 3.5 segundos.
Mediante estos dispositivos no sólo se protege a la estructura sino también a sus cntenidos como ocurre en un hospital o clínica donde tenemos equipos médicos muy sofisticados, mientras que en un edificio corporativo el área de sistemas informáticos. Esas zonas no deben dejar de operar”, sostuvo Víctor Manzur.

Disipadores 2

Disipadores de energía
Un disipador tiene como función principal absorber la energía sísmica que ha ingresado al edificio. El ingeniero Julio Rivera Feijóo, gerente general de Seintec, aclaró que cuando se tiene un sismo muy severo, la fuerza con la que la naturaleza empuja de manera horizontal a cualquier elementos es aproximadamente igual al propio peso. Gran cantidad de la energía se disipa en parte por la fisuración de los elementos o también cuando se tienen alguno que se ha colocado para absorber o eliminar esas fuerzas; es así que las edificaciones de concreto armado atenúan una gran cantidad de energía por la fisuración, sin embargo hay una forma de disipar sin provocar daños.
“ El disipador es para edificios flexibles que se van a mover bastante, comúnmente por encima de los 10 pisos, controlando su desplazamiento entre un nivel inferior y otro superior mediante unas diagonales y dentro de unos amortiguadores que van a absorber la energía sísmica. Se usan diagonales metálicas por lo general , y en los extremos de éstas se suele insertar y colocar un disipador que va a funcionar igual que un amortiguador de un carro: absorberá la energía y provocará que el edificio se mueva menos, causando pocos daños en la parte interior”, detalló.
Los disipadores son unos dispositivos que se colocan en la estructura y que tienen por misión oponerse al movimiento del simo y generar fuerzas contrarias a la fuerza del mismo. “Con esto se logra el aumento del amortiguamiento pues se reducen las fuerzas sísmicas y los desplazamientos. Es como si una estructura diseñada para una aceleración de 0.4 G fuera realmente diseñada para 0.3 G, con lo que estamos aumentando el amortiguamiento del 5% -que es lo normal en edificios- a uno de 15% o 20%”, sostuvo Casabonne.
“Los disipadores tienen la particularidad de que no hacen resistencia hacia el movimiento de la construcción sino que tratan de absorber la energía a través del movimiento que el edificio tiende a tener, pero los esfuerzos máximos que se producen son cuando el edificio está quieto. Sin embargo, en la máxima deformación de la torre, estos elementos trabajan en su mínimo esfuerzo. Por eso durante sismos severos esto es muy conveninete porque un edificio siente la reacción de un disipador más fuerte cuando no está deformado, y cuando esto ocurre, tienden a lograr un equilibrio bastante compensando u atenuado”, agregó el Ingeniero Rivera.

Tipos de disipadores
Hay una amplia gama de disipadores de energía que pueden ser aplicados en la prevención de sismos. “Hay dos vertientes: uno de líquidos viscosos y otra de elementos a fricción o fluencia (metálicos). Estos últimos rigidizan más al edificio y llaman más fuerza sísmica; el efecto no es tan beneficioso como ocurre con los de líquido ciscoso que no aumentan la rigidez del edificio. El disipador metálico tiene sus aplicaciones pero es un elemento que requiere ser cambiado después de un evento sísmico. Son productos de acero que tienen menos capacidad o resistencia y son los primeros que una vez que pasa el rango elástico entran en fluencia; por ello hay que reemplazarlos luego de ocurrido el evento”, refirió Casabonne.
Los comúnmente llamados disipadores viscosos representan una enorme ventaja comparativa respecto a los metálicos. “Nuestra disipación sísmica viscosa tiene una tecnología patentada por la NASA y se diferencia de la metálica en que no sobreesfuerza la estructura por lo que no hay que rediseñar o reforzar algunas partes. Además, no necesitan ser cambiados después de un terremoto severo, incluso pueden soportar otro de mayor magnitud. A diferencia de los disipadores metálicos, no sufren deformaciones permanentes por lo que si ya trabajaron intensamente durante un sismo no requieren ser reemplazados y, por tanto, no hay lapsos en que la estructura esté desprotegida. Nuestros disipadores viscosos se ensayan uno a uno, lo que significa que los clientes estarán seguros que funcionan antes de que ocurra un sismo”, señaló el ingeniero Iván Gonzales, gerente de Ingeniería de CDV.
“Las diagonales se colocan justo en la intersección entre la columna y la viga del piso inferior y salen hacia el nudo opuesto -un pórtico más-, desplazado hacia la unión de otra viga y columna. Cuando los edificios comienzan a moverse, el amortiguador se estira o encoge. Esta diagonal no hace frente al movimiento como un puntal, sino que tiene la capacidad de deformarse absorbiendo mucha energía”, manifestó el ingeniero Rivera Feijóo.

Aplicación del aislador elastomérico
Aplicaciones en auge
Los disipadores de energía de líquido viscoso fueron aplicados hace varios años en la torre del Aeropuerto Internacional Jorge Chávez. Un centro de control aéreo tan importante como éste merecía contar con tales dispositivos y, con el paso del tiempo la aplicación de estos ha concitado la atención de muchos inversionistas e ingenieros.
“El edificio de 15 pisos que estamos terminando con GERPAL en la avenida Benavides, tendrá disipadores mostrados no sólo hacia adentro sino hacia fuera, para que las personas vean que el edificio está protegido. Ahora veremos unas diagonales que tienen la magia de defender la estructura en la que han sido colocadas y es la primera vez que se instalan en una nueva torre desde su diseño inicial. El concepto no ha sido evitar el costo que significa colocar estos y ahorrar en algunos puntos de la estructura como vigas y columnas que, al estar menos esforzadas, van a requerir menos refuerzo. La idea ha sido diferente: ¿qué grado de seguridad adicional puede lograr una edificación común cuando se le colocan estos elementos? Este edificio ha sido concebido para superar dos escalas de seguridad a la que le corresponde normalmente. El proyecto, que tenía las características iniciales de un edificio común, ahora tiene una distinción de edificación esencial; es decir, que si un día se suscita un sismo muy severo, es probable que sea una de las pocas torres en pie”, sostuvo el Ingeniero Rivera.

Tendencia hacia la retrocapacitación en aisladores
Conviene preguntarse dónde se sitúan las tendencias sobre el uso de elementos de protección sísmica en nuestro país. “Por el tipo de construcción que hay en Lima, la mayor representación ha sido hacia los disipadores porque los edificios son más altos y también porque existen muchos que estos casos los disipadores viscosos son los ideales. Sin embargo, existe mucho potencial en el uso de aisladores para edificios de baja altura y de gran área, como museos, centros de datos, hospitales, y cualquier otra estructura que debe seguir operando después de un terremoto de gran magnitud”, explicó el ingeniero de CDV.
Las instancias públicas que congregan mayor cantidad de personas a diario deben ser reforzadas con este tipo de elementos de protección sísmica. “Debería ser una obligación el uso de estos dispositivos en edificaciones como estaciones de bombero, comisarías, postas, hospitales, instituciones financieras y centros de data, que deberías estar protegidos contra daños sísmicos muy resistente, pero el daño del contenido siempre va a existir y eso puede causar deterioros mucho más costosos y perjudiciales a la sociedad que el costo inicial que representa este dispositivo. Es una responsabilidad del ingeniero estructural promover el uso de aisladores y presentar a su cliente las diferentes opciones que hay para luchar contra el sismo. Exhibir una perspectiva tal que el cliente vea con claridad las ventajas y desventajas, para que pueda evaluar con conocimiento de causa y tomar una decisión acertada.
Hay varias edificaciones que se están retrocapacitando con disipadores sísmicos, tanto privadas como del Estado, generalmente construidas en las décadas de los 50 ó 60, que por ser una tipología estructural previa a cualquier norma, no reúnen las condiciones de seguridad básicas pues los anclajes de las vigas son pequeños.
Pocas personas hacen el análisis de qué es caro o barato porque eso depende en qué tiempo se mida esto, aunque si uno lo mide en 100 ó 150 años de vida, hay una rentabilidad asegurada”, expresó.
“Cuando uno ve el costo de un edificio, que sería el costo real de construirlo, y después el gasto de repararlo consecutivamente en el futuro con tantos sismos como se hayan presentado, resulta más barato y mejor concebida una edificación que tenga estos elementos”, agregó Rivera Feijóo.
“Otro aspecto importante, es el precio de este sistema, que sólo puede representar entre el 2% y 3% del costo de un proyecto convencional (aunque se puede reducir a cero). Esto pasa porque en un edificio con aislamiento físico se puede disminuir en forma importante la cantidad de concreto, de fierro y secciones. El calculista del proyecto y la empresa especializada en el diseño del aislamiento deben trabajar de forma coordinada para lograr soluciones más efectivas”, agregó Vïctor Manzur, de Vulco.

Disipadores 3

Un disipador tiene como función principal absorber la energía sísmica que ha ingresado al edificio

Alternativas tecnológicas
Si bien es cierto que en promedio los aisladores sísmicos y los disipadores de energía han sido aplicados en edificios por debajo y por encima de los 10 pisos, existe otra solución que es usada para edificios extremadamente altos. Se trata del sistema de masa sintonizada indicado para estructuras afectadas por la fuerza del viento.
“En las torres que tienen entre 50 y 100 pisos se utilizan otros tipos de elementos colocando una gran masa en su tercio superior. Esa gran masa, que en algunos casos pesa cientos de toneladas, recibe una señal electrónica de un dispositivo a nivel del suelo de tal modo que cuando se inicia el movimiento telúrico envía un impulso a la masa y ésta comienza a moverse de forma contraria al desplazamiento del terreno, compensado así al edificio y logrando mantenerlo más quieto y menos esforzado. Esos sistemas son bastante caros”, detalló Rivera.
Otra alternativa para reducir la carga sísmica de las estructuras, son los amortiguadores de sintonía de masa, que son dispositivos que se colocan generalmente en el último piso de los edificios altos, y que tienen un peso equivalente entre 5% y 10% del edificio y amortiguadores viscos elásticos en la base de dicho piso, los cuales incrementan el amortiguamiento de la estructura reduciendo las aceleraciones, desplazamientos y esfuerzos en las estructuras hasta en 40%, disminuyendo los daños en la estructura. “Es ideal para proyectos de reforzamiento y de actualización de los edificios que fueron construidos con normas más antiguas a las actuales, ya que no es intrusivo y es más económico que los amortiguadores viscosos” agregó Víctor Manzur.
Además de los disipadores viscosos y metálicos, también existen otros dispositivos que sirven para atenuar el rozamiento entre dos edificios contiguos, cuya distancia de separación es bastante reducida. “Nosotros también hemos desarrollado productos que pueden servir para acoplar dos edificios que están separados por una junta de un ancho tan pequeño que podría medir incluso menos de 5cm.
Hay cientos de edificios contiguos que se chocarían en caso de un terremoto, causándoles grandes daños. Este tipo de disipadores sísmicos evitaría que se choquen, disipando energía, incluso para desplazamientos tan pequeños como de milímetros” afirmó Iván Gonzales, de CDV.
Fuente: Revista “Constructivo”

Estudio comparativo de edificios con aislamiento sísmico en la base.

Terremotos. Refuerzo de edificios. Dilatación. Sistemas pasivos. Sistemas activos. Sistemas híbridos. Sistemas semi-activos. Aisladores de base. Disipadores de energía. TMD. AMD. HMD
• País: Chile
• 20 páginas

Universidad de Santiago de Chile
Departamento de Ingeniería en Obras Civiles
Diseño sismo resistente
AISLACIÓN SÍSMICA
Sistemas de Protección Sísmica
Estudio Comparativo Económico de Edificios con Aislamiento Sísmico en la Base

CONTENIDO
1 JUSTIFICACIÓN
• JUSTIFICACIÓN
En los últimos años la ingeniería sísmica en todo el mundo ha enfocado muchos de sus esfuerzos a investigar e implementar métodos para mitigar la amenaza de las comunidades más vulnerables. Entre estos, los sistemas pasivos de disipación de energía para el diseño y reforzamiento de estructuras han tomado gran auge, gracias a la ayuda de los procesadores electrónicos y la dinámica estructural hoy en día existen numerosos ejemplos de estructuras construidas o reforzadas en algunos de los países del mundo más propensos a la amenaza sísmica.
La disipación pasiva de energía es una tecnología que mejora el desempeño de una edificación añadiendo amortiguación a su estructura, siendo el uso primario de los disipadores de energía la reducción de los desplazamientos sísmicos de la estructura.
Los disipadores de energía reducen, igualmente, la fuerza en la estructura, proporcionándole a su vez una respuesta elástica, en algunos casos, sin que deba esperarse la reducción de la fuerza en estructuras que estén respondiendo más allá de la fluencia.
• OBJETIVOS
• Presentar un resumen comparativo del estado del arte en sistemas de protección sísmica.
• Mostrar el comportamiento sísmico de los aisladores de base.
• Realizar un estudio comparativo económico de un edifico con aisladores y un edificio fijo.
• INTRODUCCIÓN
En muchos casos la disipación de energía se ha constituido en una alternativa para los esquemas convencionales de rigidización y reforzamiento y se debe esperar que alcancen un nivel de desempeño comparable. En general, estos dispositivos pueden ser una buena opción a considerar en los casos en los cuales se espera un buen nivel de desempeño en cuanto a la protección de la vida de las personas o, quizás, respecto de la ocupación inmediata, pero con aplicabilidad limitada en proyectos con un nivel de desempeño de prevención de colapso.
Los sistemas de protección sísmica empleados en la actualidad comprenden desde relativamente simples dispositivos de control pasivo hasta avanzados sistemas completamente activos. Los sistemas pasivos son tal vez los más conocidos e incluyen los sistemas de aislamiento sísmico y los sistemas mecánicos de disipación de energía. El aislamiento sísmico es el sistema más desarrollado de la familia, con continuos avances en dispositivos, aplicaciones y especificaciones de diseño. Los sistemas de protección sísmica pueden ser clasificados en cuatro categorías: sistemas pasivos, activos, híbridos y semi-activos.
Las primeras aplicaciones de los aisladores de base actuales fueron en puentes debido a que estas estructuras normalmente se apoyan sobre placas de neopreno para permitir el libre desplazamiento ocasionado por los cambios de temperatura. Esto permitió la sustitución de las placas de neopreno por aisladores de base. El primer intento moderno por utilizar un sistema de aislamiento en edificaciones se dio en la Escuela Heinrich Pestalozzi, en Skopje, Yugoslavia, en 1969, mediante un método suizo denominado “Aislamiento total de la base en tres direcciones” utilizando vigas de caucho natural sin reforzar. A partir de este edifico empezó la experimentación, implementación y patentado de sistemas en los Estados Unidos, Japón y Nueva Zelanda principalmente.

• SISTEMAS DE PROTECCIÓN SÍSMICA

• Sistemas Pasivos
Los sistemas de control pasivo emplean dispositivos bastante simples que reducen la respuesta dinámica por medios totalmente mecánicos. Los sistemas pasivos más comunes son los aisladores sísmicos, los disipadores de energía y los osciladores resonantes (TMD). Cada sistema emplea diferentes enfoques para el control de la respuesta estructural y son más efectivos para diferentes tipos de estructuras.

4.1.1 Aisladores Sísmicos
El aislamiento sísmico es una estrategia de diseño basada en la premisa de que es posible separar una estructura de los movimientos del suelo mediante la introducción de elementos flexibles entre la estructura y su fundación. Los aisladores reducen notablemente la rigidez del sistema estructural, haciendo que el periodo fundamental de la estructura aislada sea mucho mayor que el de la misma estructura con base fija. Existen básicamente dos tipos de sistemas de aislamiento: los apoyos elastoméricos y los apoyos deslizantes. Los apoyos elastoméricos emplean un elastómero de caucho natural o neopreno reforzado con finas láminas de acero. La notable flexibilidad lateral en el elastómero permite el desplazamiento lateral de los extremos del aislador, mientras que las láminas de refuerzo evitan el abultamiento del elastómero y le proporcionan una gran rigidez vertical. Existen tres tipos de apoyos elastoméricos ampliamente usados: apoyos de caucho natural (NRB), apoyos de caucho con núcleo de plomo (LRB), y apoyos de caucho de alta disipación de energía (HDR). Los apoyos deslizantes poseen una superficie de deslizamiento que permite la disipación de energía por medio de las fuerzas de rozamiento. Uno de los dispositivos más innovadores es el sistema pendular friccionante que combina la acción del deslizamiento con la generación de una fuerza restitutiva debido a la geometría del deslizador.

 

Disipadores 4

Apoyo elastomérico
El aislamiento sísmico es un sistema ampliamente usado para la protección sísmica de diversos tipos de estructuras. Numerosos estudios teóricos, análisis numéricos y ensayos de laboratorio demuestran el excelente comportamiento que puede lograr este sistema en la protección de estructuras sometidas a eventos sísmicos moderados y severos. Adicionalmente, la efectividad de este sistema fue evidenciada por los registros de la respuesta dinámica de los edificios con aislamiento de base sacudidos por los sismos de Northridge en 1994 y Kobe en 1995.
Actualmente existen numerosas aplicaciones de sistemas de aislamiento de base en países como Japón, Estados Unidos, Nueva Zelanda e Italia. Estas aplicaciones corresponden principalmente a la construcción de nuevos edificios y el mejoramiento sísmico de estructuras existentes. Uno de los edificios en los que se demostró la factibilidad de los sistemas de aislamiento sísmico es el Fire Command and Control Facility en Los Angeles. Este edificio es una central de emergencias que debe permanecer en operación incluso después de un sismo extremo. Para su construcción se realizó una comparación entre los esquemas de diseño convencional y de aislamiento sísmico para proveer el mismo grado de protección. En estos términos se estimó que el costo del edificio con aislamiento sísmico era un 6% menor que el correspondiente al edificio con un diseño convencional.
La prueba más severa a la que fue sometido un edificio con aislamiento sísmico hasta la fecha corresponde al hospital de docencia de la Universidad de Southern California. El edificio está ubicado a 36 km del epicentro del terremoto de Northridge, ocurrido en 1994 con una magnitud de 6.8 MW. Durante el terremoto el terreno bajo el edificio alcanzó una aceleración máxima de 0.49 g, mientras que las aceleraciones en el interior del edificio estuvieron entre 0.10 g y 0.13 g. Esto significa que la estructura fue aislada en forma efectiva de los movimientos del suelo, teniendo en cuenta que estos movimientos fueron lo suficientemente intensos como para provocar daños importantes en edificios adyacentes.
A diferencia de las técnicas convencionales de reforzamiento de edificios existentes, con el aislamiento sísmico se busca reducir la demanda a niveles en los que la capacidad existente en la estructura sea suficiente para resistir las cargas. Esta técnica es particularmente apropiada para la protección de edificios con valor histórico.

4.1.2 Disipadores de Energía
Los disipadores de energía son dispositivos diseñados para absorber la mayoría de la energía sísmica, evitando así que ésta sea disipada mediante deformaciones inelásticas en los elementos estructurales. Pueden ser clasificados como histeréticos o viscoelásticos.
Los disipadores histeréticos incluyen los disipadores metálicos y los disipadores friccionantes, y dependen esencialmente de los desplazamientos de la estructura. Los disipadores metálicos están basados en la fluencia de los metales debido a flexión, corte, torsión, o extrusión. Uno de los dispositivos metálicos más reconocidos es el ADAS, que está compuesto por placas de acero con sección transversal en forma de X instaladas en paralelo sobre los arriostres. Los disipadores friccionantes son dispositivos que disipan la energía mediante las fuerzas de fricción que se presentan por el desplazamiento relativo entre dos placas en contacto. Son diseñados para deslizar a una carga predeterminada, y permanecen inactivos mientras no existe una demanda sísmica importante sobre el edificio.

Disipadores 5

Disipador histerético

Los disipadores viscoelásticos incluyen los sistemas de sólidos viscoelásticos, fluidos viscoelásticos, y los disipadores fluido-viscosos. Los dispositivos viscoelásticos dependen esencialmente de la velocidad. Los disipadores viscoelásticos sólidos están constituidos por una capa de material viscoelástico ubicada entre dos placas de acero, usualmente acopladas a los arriostres que conectan los extremos del entrepiso. Los dispositivos viscoelásticos líquidos disipan la energía por medio de las deformaciones inducidas por un pistón en una sustancia altamente viscosa. Los disipadores fluido-viscosos son dispositivos que disipan energía forzando el flujo de un fluido a través de un orificio. Estos dispositivos son similares a los amortiguadores de un automóvil, pero operan con un mayor nivel de fuerzas y son fabricados con materiales más durables para lograr un mayor tiempo de vida útil.

Disipador viscoelástico

4.1.3 Osciladores Resonantes
Un oscilador resonante (TMD) es un sistema de un grado de libertad constituido por una masa, un elemento restitutivo y un mecanismo de disipación de energía, usualmente montado en la parte superior de la estructura. Para que el TMD pueda reducir la respuesta dinámica de una estructura debe existir una coincidencia entre las frecuencias naturales de vibración de la estructura y del oscilador resonante. Los osciladores resonantes son bastante efectivos en la reducción de las vibraciones producidas por el viento en edificios altos. También puede ser empleados para la reducción de la respuesta sísmica.

Disipadores 6
Amortiguadores de masa (tuned mass dampers TMD)

Modelo experimental del amortiguador TLSD tuned liquid sloshing dampers análisis como sistema de 1 gdl

Disipadores 7

• Sistemas Activos
Estos sistemas son dispositivos que generan fuerzas de control para modificar la respuesta dinámica de la estructura. Las fuerzas de control son aplicadas mediante actuadores integrados a un conjunto de sensores, controladores y procesadores de información en tiempo real. El esquema describe esquemáticamente el proceso. Los sensores instalados en la estructura miden las excitaciones externas y la respuesta dinámica de la estructura; los dispositivos de procesamiento en tiempo real procesan la información proveniente de los sensores y calculan las fuerzas de control necesarias para estabilizar la estructura; finalmente los actuadores generan las fuerzas necesarias para contrarrestar los movimientos sísmicos.

Las fuerzas de control pueden ser aplicadas a la estructura mediante una masa activa (AMD), arriostres activos (ABS), o tendones activos. Los osciladores de masa activa (AMD) proporcionan la forma más simple y compacta de aplicar las fuerzas de control a una estructura. Los arriostres y tendones activos requieren un diseño más complicado y se encuentran actualmente en nivel experimental.

El edificio Kyobashi Seiwa es la primera aplicación a escala natural de la tecnología del control activo. Este edificio ubicado en Tokio, Japón, se terminó de construir en 1989. El sistema activo está conformado por dos osciladores AMD, uno principal para controlar el movimiento transversal, y otro secundario para reducir los movimientos torsionales. El objetivo del sistema instalado en el edificio es reducir las vibraciones producidas por vientos fuertes y solicitaciones sísmicas moderadas, con el fin de incrementar el confort de sus ocupantes.

Disipadores 8
Edificio Kyobashi Seiwa

• Sistemas Híbridos

Los sistemas híbridos emplean una combinación de dispositivos pasivos y activos con el fin de incrementar la confiabilidad y eficiencia del control estructural. Algunas de las restricciones que presenta un sistema completamente activo pueden ser superadas por los sistemas de control híbrido debido a que estos operan múltiples dispositivos de control, logrando mayores niveles de rendimiento. Las investigaciones en el campo de los sistemas de control híbrido han sido enfocadas principalmente en dos tipos de sistemas: osciladores híbridos (HMD) y aislamiento activo. Todos los sistemas híbridos funcionan según la configuración mostrada en el esquema mostrado.
El oscilador híbrido HMD (Hybrid Mass Damper) es el resultado de la combinación de un oscilador resonante (TMD) y un actuador de control activo. La capacidad de este dispositivo para reducir la respuesta estructural radica principalmente en el movimiento natural del oscilador resonante. Las fuerzas de control generadas por el actuador son empleadas sólo para mejorar el desempeño del oscilador resonante, incrementando la eficiencia del sistema y permitiendo su adaptabilidad a los cambios en las características dinámicas de la estructura.
• Sistemas Semi-Activos
Los sistemas semi-activos no aplican fuerzas de control en el sistema estructural, pero poseen propiedades variables que pueden ser controladas para reducir óptimamente la respuesta del sistema estructural. Se muestra la configuración de estos sistemas.

La atención recibida por estos sistemas en los últimos años puede ser atribuida al hecho de que los dispositivos de control semi-activo ofrecen la adaptabilidad de los sistemas de control activo sin la demanda de grandes fuentes de energía.

• AISLADORES DE BASE
Los aisladores de base se basan en el concepto de la reducción de la demanda sísmica. Estos sistemas tienen como finalidad aislar la cimentación de la superestructura. Al colocarlos se alarga considerablemente el período fundamental de vibración de la estructura llevándolo a zonas en donde las aceleraciones espectrales son reducidas y, consecuentemente, las fuerzas que producen resultan de menor cuantía. Como la frecuencia disminuye, las aceleraciones introducidas disminuyen al igual que los efectos dañinos del movimiento del suelo en la estructura. El mayor beneficio se encuentra en estructuras con períodos del orden de un segundo o un poco menor, o edificios con ciertas características en donde se acentúa la torsión.

Disipadores 9

• Comportamiento de los aisladores
Los aisladores de base consisten en una serie de “paquetes” colocados entre la cimentación y el edificio.

Disipadores 10

Ubicación de los aisladores
Algunos dispositivos modifican la frecuencia natural del sistema, y otros reducen la transmisibilidad de fuerzas sísmicas de la cimentación a la estructura. Un elastómero está formado por varias capas de caucho intercaladas con placas de acero, a las cuales se les coloca un corazón de plomo en el centro. En la tapa y base del aislador, se colocan placas de acero que permiten realizar las conexiones del aislador con el edificio y la fundación. El aislador es muy rígido y fuerte en la dirección vertical, pero flexible en la dirección horizontal.

Disipadores 11

Comportamiento durante un sismo
Los desplazamientos a la derecha en el edificio sin aislador muestran un cambio de forma de un rectángulo a un paralelogramo, lo cual indica que el edificio se está deformando. El edificio aislado en la base mantiene su forma original, forma rectangular, siendo los aisladores los que se deforman. Experimentos y observaciones de edificios con aislamiento en la base en terremotos muestran una reducción en la aceleración del edificio a una cuarta parte de la aceleración de edificios empotrados en la base. La aceleración disminuye porque el sistema de aislamiento en la base alarga el período de vibración del edificio, el tiempo que toma al edificio desplazarse de un lado a otro. En general, estructuras con períodos largos de vibración tienden a reducir la aceleración, y viceversa.

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• Experimentación

La experimentación en el tema del aislamiento sísmico con elastómeros ha sido muy amplia en Nueva Zelanda y en los Estados Unidos, pero muy pobre en Latinoamérica; el desarrollo experimental implementado para la investigación representa el inicio del proceso experimental en esta área.
El pórtico se probó con amortiguamiento y sin amortiguamiento, excitado bajo señales de amplitud constante (2 mm sin amortiguamiento y frecuencias de 1.0 a 6.0 Hz. y 5 mm con amortiguamiento y variando la frecuencia entre 1.0 y 6.0 Hz, con incrementos de 0.5 Hz. en ambos casos). A continuación presentamos las gráficas resultantes del proceso experimental para el modelo tanto sin amortiguador como amortiguado.

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Comparaciones de Aceleraciones Absolutas

• MODELO DE ESTRUCTURA AISLADA
El edificio presentado es una estructura de concreto que trabaja como una estructura combinada, a partir de pórticos concreto y muros de cortante de mampostería confinada y concreto estructural, las losas son macizas con trabajo en una dirección, las zapatas aisladas y ligadas con vigas de cimentación. Se diseñó el edificio fijo y el aislado en la base. Del análisis estructural realizado mediante el programa SAP2000N y tomando en cuenta la disminución del corte basal que se presenta en el edificio, se rediseñó la estructura hasta obtener las mismas rotaciones que la estructura original presentó para disminuir las secciones estructurales. La disminución de las secciones estructurales fue del orden de entre el 5 y el 10% en sección y hasta un 18% en la cantidad de refuerzo, representando una disminución en el costo de la estructura de alrededor del 5.20%.
No se consideraron los procesos constructivos que no presentan cambio al implementar un sistema de aislamiento sísmico en la base, tales como: los sistemas de entrepiso, muros y escaleras y los detalles arquitectónicos y acabados generales tales como: pintura, pisos, alfombras, carpintería, muebles de baño, los procesos constructivos especializados propios del sistema: modificaciones de los cubos de ascensores, implementación de disipadores de energía para control de deformaciones excesivas, tuberías flexibles, entre otros. Del análisis anterior se obtuvo la tabla comparativa.

Los costos del aislamiento sísmico en la base son muy representativos porcentualmente en edificaciones pequeñas y poco redundantes.

En la cimentación se observa que se presenta un incremento en los costos para el sistema aislado, se debe a la necesidad de rigidización de la base para hacer énfasis en la disminución de rigidez del estrato en el que se presenta el aislamiento sísmico. Las vigas y las columnas presentan una disminución en el costo de la estructura aislada.

• CONCLUSIONES.

En un edificio con aislamiento sísmico, se debe cuidar hasta el último detalle en la conexión entre el edificio, el aislador y la cimentación, ya que debe existir un claro deslinde entre la cimentación y la superestructura.
El potencial de ahorro en costo en el sistema estructural de un edificio aislado está en función de dos aspectos principales: el nivel de sismo para el cual se diseña la estructura aislada con respecto al nivel que sirve para diseñar la estructura convencional, y la ubicación de los aisladores en el plano de la estructura. El ahorro de los aisladores no se mide en el momento de la construcción, sino después de un sismo.
Hay dos factores que influyen importantemente en la efectividad de la respuesta de un edificio con aislamiento sísmico en la base bajo la acción de un sismo que lo lleve aun comportamiento no lineal, los cuales son: La cantidad de energía que el dispositivo absorbe y el cambio del período en el primer modo de la edificación, debido a la flexibilización de la estructura.
La factibilidad económica de un edificio aislado se determina a partir de un análisis interdisciplinario que considere: la geología local (fallas locales, estratos, condiciones de suelo, efecto doppler, etc.), amenaza sísmica (sismos presentados, período, frecuencia, severidad, nivel de aceleraciones, etc.), tipo de daño que se considera (menor o reparable), propios de la estructura (forma estructural, regularidad vertical y horizontal, materiales, uso de la estructura, características, etc.)
El aislamiento sísmico no es sistema que se pueda implementar en todos los casos, por lo tanto no es general, presenta limitaciones en ciertos rangos de masas y secciones de aisladores. El sistema ideal se encuentra limitado a períodos entre 0.5 y un segundo, pero además las condiciones del suelo deben de ser tales que no amplifiquen el sismo en períodos medios o largos.

REFERENCIAS
http://globalingenieros.com/aisladores-y-disipadores-de-energia/

http://www.revista.unam.mx/vol.4/num1/proyecto11/
https://www.academia.edu/5328500/EDIFICACIONES_CON_DISIPADORES_DE_ENERGIA
http://www.scielo.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0718-50732014000300005
https://books.google.com.pe/books?id=TKwTAKb4e00C&pg=PA295&lpg=PA295&dq=disipacion+de+energia+tecnica+estructural&source=bl&ots=ng_EEREntL&sig=zyolmPifdCQbw_tW4a3LMVVPNZQ&hl=es&sa=X&redir_esc=y#v=onepage&q=disipacion%20de%20energia%20tecnica%20estructural&f=false


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